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数字温度计硬件电路设计应用原理图

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2017/11/27     浏览次数:    

在冶金、石油、化工、机械制造和国防等行业中,往往需要测量-200℃~1000℃气体、液体等环境中的温度。以前一般采用玻璃液体温度计、双金属温度计、压力式温度计、热电偶、热电阻和非接触式温度计等进行温度测量。其中热电偶的温度测量范围较宽,它无需使用驱动电源即可直接产生电压(温差电势)信号,该信号既可用直流测量仪器(如电位差计、数字电压表、毫伏计等)读取,以通过热电偶温度特性分度表查出对应的温度;也可以用线性校正电路将小信号电压放大后,通过显示仪表的刻度读数。在某些输油、输气管道应用中,往往要求对温度进行长时间监测,且要求能够快速准确地读数。此时,上述各类温度计则难以胜任。而如果将热电偶产生的热电动势转换成数字信号后由单片机进行数据处理,并通过液晶来显示其温度结果,这种方法反应迅速,测量精度高,功耗小,显示直观。因此,由热电偶、A/D转换电路、单片机和液晶模块组成的数字式低功耗高精度温度计可以代替各种机械式温度计来完成特殊情况下的温度测控工作,且便于实现小型化设计。


硬件电路设计


在测量过程中,热电偶产生的一般是相对于冷端的温差电动势。工业标准一般规定冷端的温度为0℃。而在实际使用中,将冷端放入冰水混合物中并不方便。如果本地温度不为0℃,则温差电动势就可能偏大或偏小。因此,实际电路通常需要对温差电动势进行温度补偿。该便携式低功耗、高精度数字温度计的整个系统由四部分组成:第一是热电偶;第二是AD7705($5.1240)、AD589($2.0760)组成的数据采集电路,其中A/D转换电路的作用是将热电偶产生的热电动势转换为数字信号;第三部分是AD7416($1.2000),由它可测量冷端温度,并由此计算出补偿电压;第四部分是MSP430F413($1.5188)和六位笔段式液晶显示器组成的控制和显示电路。具体的电路原理图如图1所示。为了达到低功耗高精度之目的,本设计方案中所选的芯片都具有低功耗模式,可以在测量间隙工作于省电模式。下面对各部分电路加以具体说明。

图1便携式低功耗高精度数字温度计原理图

图1便携式低功耗高精度数字温度计原理图


热电偶


本设计中选用K型或J型镍铬-铜镍(康铜)热电偶。它们比较适用于氧化及弱还原性环境中的测温系统,其测温范围为-200℃~1000℃,热电动势范围为-9.835mV~76.358mV,由于这些热电偶具有稳定性好,灵敏度高,价格低廉等优点,因而非常适合于便携式测温仪表的使用。图2为镍铬-铜镍(康铜)热电偶的热电动势-温度曲线,经过分析,其准确度可达±0.1℃,在-150℃时,其灵敏度可达38μV/℃。

图2镍铬-铜镍(康铜)热电偶热电动势-温度曲线

图2镍铬-铜镍(康铜)热电偶热电动势-温度曲线


数据采集电路


在这一部分电路中,AD7705是用于低频测量系统的前端器件,它分辨率高,且有节电模式,能够满足高精度和低功耗的要求。此外,AD7705片内还有数字滤波电路、校准电路和补偿电路,因而能更好地保证高精度的实现温度测量。AD7705使用2.7V~3.3V单电源,它有两个模拟差分输入通道,在电源为3V、参考电压为1.235V的情况下,双极性输入信号的最大幅度范围为0~±10mV(Gain=128)到0~±1.235V(Gain=1)。另外,AD7705还可直接接收传感器产生的小信号以进行A/D转换并输出串行数字信号。它采用Σ-Δ技术来实现16位A/D转换。采样速率由MCLKIN端的主时钟和放大器的可变增益来决定。实际上,AD7705同时可以对输入信号进行片内放大、调制转换和数字滤波处理。其数字滤波器的阻带可编程控制,以便调节滤波器的截止频率和输出数据更新速率。


此滤波器的响应类似于中值滤波器的响应,但下降沿更为陡峭。由于数字滤波器的输出速率和滤波器幅频响应的第一个凹点频率一致。因此,当输出速率为25Hz时,滤波器第一个凹点也为25Hz。另外,(sinx/x)3滤波器也能抑制第一个凹点频率的谐波成分,抑制量大于40dB。当FS0和FS1分别为0,1时,其输出速率和第一凹点频率为25Hz,-3dB点时为6.55Hz。如果被测环境温度变化缓慢,那么在模数转换过程中,该电路便能有效抑制大于6.55Hz的干扰信号,其中包括50Hz的干扰信号。


当AD7705工作电压为3V,片内可编程放大器增益设置为1时,A/D的精度为16位,最小分辨电压为37.69μV(1.235V×2/65536)。而热电偶每变化1℃(-150℃~1000℃)的输出热电动势变化为38μV~81μV/℃,大于AD7705的最小分辨电压。所以,系统的分辨率可达到1℃,能够满足绝大多数工业测量要求。由于AD7705可直接对-0.6175V~0.6175V电压进行模数转换,因此,当热电偶测量小于0℃的温度且热电动势小于0V时,它不需额外的电路也能正常工作。


AD589是AD7705的电压参考源。AD589是价格低廉的双端器件,它能提供带有温度补偿特性的1.235V带隙参考电压输出。其片内元件匹配和热跟踪特性使AD589具有很高的稳定性。此外,AD589的输出阻抗比普通的低温度系数齐纳二极管低10倍,因此,即使负载发生变化,该电路也可以在无需外部器件的情况下维持很高的精度。


本系统以MSP430F413、AD7705为核心实现了低功耗高精度便携式温度计的设计。对于便携式仪器,本设计实现了低成本宽测温范围条件下的低功耗高精度要求,具有一定的实用价值。目前此电路已投入应用,实践表明,整个便携式低功耗高精度数字温度计使用方便,工作稳定,待机时间长,具有广阔的应用前景。


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